炼铁技术高炉炼铁基本理论.doc

2．高炉炼铁基本理论 2.1 炉料还原 2.1.1 高炉内炉料还原过程 1.还原过程 高炉冶炼除铁还原外，还有硅、锰、硫、磷、碱金属等的还原。高炉内的还原剂有三种，固体碳、CO和H2。氧化物的还原是从高价向低价逐级进行的。根据还原剂和还原产物的不同，还原反应可分为三种：用气体CO还原，生成产物CO2，称为间接还原，此反应是放热的；用固体碳还原，生成产物CO，称为直接还原，此反应是强吸热的；用H2代替CO和固体碳的还原，称为氢还原，反应是吸热的。 直接还原反应是借助碳的气化反应进行的，其反应进行的条件是温度高于焦炭的气化反应开始温度。温度高于1000－1100℃时，焦炭的气化反应才显著进行，常把1000－1100℃作为直接还原和间接还原的分界线，并将高炉内还原过程划分为三个区域：炉身中、上部，温度低于800℃的块状带为间接还原区；炉腰上部和炉身上部，温度在800－1100℃为间接还原和直接还原共存区；炉腰下部，温度高于1100℃是直接还原区。 2.直接还原度 高炉冶炼过程用直接还原度作为评价直接还原的发展程度的指标。直接还原度愈高，直接还原愈发展。 1）高炉直接还原度（Rd） 高炉直接还原度（Rd）是指用C直接还原夺取的氧量（O直）与炉料中被还原而进入煤气的总氧量（O总）之比。 （2.1） 式中：O直――用C直接还原夺取的氧量； O间――间接还原夺取的氧量； O总――炉料中被还原加入煤气中的总氧量。 直接还原包括：a）Fe、Si、Mn、P等元素的直接还原（MO+C=M+CO），；b) 高温下，碳酸盐及结晶水分解出的CO2 、H2O 与碳发生气化反应（C＋CO2=2CO、C+H2O=CO+H2）； c) 脱硫反应( FeS＋CaO＋C＝CaS＋Fe＋CO)。 高炉间接还原度（Ri）是指用CO和H2间接还原夺取的氧量与炉料中被还原进入煤气的总氧量之比。 （2.2） 高炉直接还原度和间接还原度的关系为： Rd ＋ Ri ＝ 1 （2.3） 2 铁的直接还原度（rd） 铁的直接还原度是用来衡量高炉内铁氧化物直接还原发展程度的指标。铁的直接还原度定义为：（苏联，巴普洛夫）假定高价FexOy全部间接还原为低价FexO，再从FexO中直接还原出的铁量与全部被还原出的铁量之比。 （2.4） 式中：Fed----从FexO中用C直接还原的铁量； Fei-----从FexO中用CO、H2还原的铁量； Fe生-----生铁中铁量； Fe料-----炉料中金属铁量。 它与铁的间接还原度的关系为：  rd = 1 - ri = 1 - rc o - r h2 （2.5） 图2.1 高炉内CO还原铁氧化物示意图 式中： rc o -------铁的CO间接还原度 r h2 ------铁的H2间接还原度 2.1.2 铁氧化物的还原 间接还原 高炉风口前燃烧生成的和直接还原产生的CO在上升过程中遇到的铁氧化物首先是FeO，还原FeO后的继续上升，遇到Fe3O4和Fe2O3继续进行还原，高炉内CO还原铁氧化物过程见图2.1。 由Fe-O-CO系平衡状态图可见，随还原过程的进行，平衡气相成分中要求的CO％的值越来越高，又由于FeO相对含氧量为70％，故FeO→Fe这一步骤是决定高炉烧成率及碳耗的关键。 在1000℃下CO还原FeO，反应平衡的气相成分％CO＝70。这表明还原反应持续进行的条件是气相中CO的浓度必须始终高于70％；或说还原FeO的CO的利用率最高值为η＝CO2％/(CO％+CO2)＝30％。因此，用CO还原FeO得到1molFe，除了需消耗1molCO外，还需nmolCO保证反应达到平衡。设n为保证CO还原FeO达到平衡所需CO过剩系数。CO还原FeO得到1molFe的反应式为：